\chapter{The Challenge}

\textit{Scientia (Latin): knowledge}

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在挑战部分，你需要描述希望获得的具体知识。这始于促使你开展研究的问题——你的研究是为了找到答案。有时，我们会从问题中提出假设，并通常会陈述具体目标，这些目标描述了我们将要展示的信息。一些作者仅仅提出问题，而另一些则包含三部分：提出问题、将其转化为假设，并描述具体的研究目标。这些方法各有适用场合，但核心始终是问题。如果没有问题，你的研究就不是好的科学；如果读者无法看出问题是什么，你的文章也不是好的科学写作。

\section{问题与假设}
有人认为没有假设就不是科学研究。这种观点源于对波普尔理论的严格遵循，即只有可以被证伪的理论才是科学。然而，Vaghjiani 和 Ravishankara 的研究（示例 6.1）并未对甲烷与羟基自由基反应的速率常数提出假设；他们提出的问题是“这个反应的速率常数是多少？”那么，他们的工作不是科学吗？

不同科学领域对于问题和假设的传统有所不同。我所从事的一个研究群体向美国国家科学基金会生物学部提交提案时，必须提出假设；另一个群体向地球科学部提交提案时，则对生物学家的“假设执念”感到困惑。提出假设是组织思路和构建研究结构的一种强有力的工具，但假设仅仅是将问题转化为一个可证伪的预测。定义知识空白的问题，仍然是关键所在。

我们通常用假设来检验某种关系是否存在——从而发展一个理论。而在评估关系的性质时，未必需要假设。例如，一位进化生物学家可能会问：花的颜色是否会影响传粉者是否光顾某种植物？他们可能提出假设：“蜂鸟更喜欢红色的花。”这个假设是可检验且可证伪的。但是，Vaghjiani 和 Ravishankara 已经知道甲烷会与羟基自由基反应，并且反应有一个速率常数，他们只是还不知道具体值是什么——他们能提出什么假设呢？

有趣的是，即使是那些在提案中经常提出假设的生物学家，也可能会在论文的挑战部分仅仅提出一个问题。至于是提出问题还是将其转化为正式假设，这没有普遍适用的建议——你需要了解自己所在领域的文化。但请记住，问题始终是第一位的，且必须明确清晰。

\section{问题与目标}

尽管问题十分重要，许多作者在界定研究挑战时常用“我们的目标是”来表述，而不是“我们的问题是”。也就是说，他们更注重描述将要收集的信息，而非希望获得的知识。他们假设问题在引言中已经清楚明了，不需要再明确说明。然而，他们几乎总是错的。

将重点放在目标而非问题上，既是薄弱的科学实践，也是薄弱的叙事方式。如果问题没有明确提出，而直接跳到具体的数据收集目标上，读者就需要自己去推测问题是什么，甚至怀疑作者是否真的有问题要解决。这样做相当于将弄清楚研究如何推动知识进步的任务交给了读者，这违反了科学写作的首要原则——作者的任务是让读者的工作变得轻松。

此外，专注于目标无法使用 SUCCES。它不会激发读者的正确好奇心，反而可能让读者疑惑：你的目标是什么？你为什么要做这项研究？这些任务背后隐藏的问题是什么？会不会你只是在模仿别人的实验，而自己并没有真正的问题？这些问题不再是关于你的科学研究，而是关于你的动机，并暗含批评——为什么要浪费我的时间？

你一定有一个驱动研究的问题，清晰地表述它，然后再告诉我们你如何回答这个问题。

\section{提出问题之后的步骤是什么？}
在提出问题之后，一个好的挑战会简要概述研究方法。在这里，你可以告诉我们具体的研究目标以及将生成的信息。例如，如果你测试某种污染物是否具有致癌性，你是使用了机理毒理学方法还是流行病学方法？如果你在自然界中识别细菌，是培养它们还是对从环境样本中提取的 DNA 进行测序？如果你在测量反应速率常数，是在气相中进行的，还是在水溶液中进行的？在这一部分，陈述目标可以提供一种“地图”，帮助读者评估论文的其余部分——你的方法是否适合于问题？你是否获得了预期的知识？还有哪些知识空白？

有些论文还会提供结论的简要概述，通常以“在本文中我们展示了……”的语言开头。在完整的引言之后，作者通过“预告”他们的结论来吸引读者。这种预告式 OCAR 对那些急于了解结果的读者特别有效，但同时也允许他们看到论证是如何展开的。这种结构比普通的 OCAR 更靠前加载信息，但又不如 ABDCE 或 LDR 那么直接。这种方法在生物医学文献中很常见，但在其他领域也偶尔出现。我猜测，这种方式的出现是为了帮助读者快速筛选论文——知道论文的结论有助于他们在阅读时更容易评估内容。

\section{好的挑战}

在专业期刊的论文中，一个好的挑战几乎总是可以概括为“为了了解 X，我们做了 Y”。也就是说，论文提出了问题，并阐明了解决问题的方法，如例 7.1 所示。这篇论文探讨了在复杂环境中生活是否会促进大脑发育。

\begin{quote}
例 7.1

\textit{本研究的目标有两个。首先，我们测试了动物的物理环境是否会影响海马体的特性。具体来说，我们测试了圈养的食物储藏山雀（Poecile gambeli）与完全发育的野外捕获同种山雀相比，在海马体体积、海马体神经元数量和神经元密度方面是否存在差异。我们预测，与自然环境中丰富的记忆性体验相比，圈养环境中较低的环境复杂性和限制的记忆性体验会减少海马体体积、神经元数量，以及可能的神经元密度。}
\end{quote}

为什么这是一个好的挑战？虽然它内容长且技术性强，但没有任何语言上的浮夸。作者很好地完成了几项任务：
首先，他们提醒我们这是一个总体性问题——本质上是关于控制大脑发育的因素，这是一个广泛且重要的话题，即使具体问题非常狭窄。事实上，关于圈养鸟类及其海马体的具体研究问题单独看起来可能更像是“无意义研究奖”的候选，而非“值得关注的重要论文”的推荐。然而，作者非常出色地将具体问题与更大的问题联系起来。
其次，即使在提出了明确的问题后，他们仍然进一步制定了假设，明确了研究的测量方式以及支持或证伪这些假设的数据。在阅读论文的其余部分时，读者会知道作者的研究思路及其方法，可以轻松地跟随他们评估结果并形成结论。非常出色的处理。

另一个例子来自研究海洋无脊椎动物中光感知和视觉反应机制的论文。什么化学物质产生了信号？有些研究表明二酰基甘油（DAG）在信号传递中起到一定作用。但作者认为，DAG 无法完全解释观察到的反应，因此提出了一种替代信号分子：磷脂酰肌醇二磷酸（PIP₂），这种分子可以分解为 DAG。

\begin{quote}
例 7.2

    \textit{尽管有证据表明 DAG 及其下游产物参与视觉信号传导，并与钙协同作用，但没有任何一种化学刺激能够完全再现光电流的显著强度和速度。这可能意味着在现有假设中仍缺失了另一种信号分子。在其他系统中，PIP₂ 已被证明具有独立于其水解产物的信号功能……这些观察促使我们推测，在微绒毛光感受器中，PIP₂ 可能有助于保持通道关闭，而其水解可能促进通道打开。在本研究中，我们研究了操纵 PIP₂ 对来自扇贝 (Pecten) 和钩虾 (Lima) 的分离光感受器膜电流及光响应的影响。}
\end{quote}

作者清晰地阐述了问题——DAG 无法解释现有观察结果。他们提出了一个新的假设，即 PIP₂ 参与其中，并简要描述了为验证这一假设而进行的实验——“为了研究 X，我们进行了 Y。”尽管这是在一个专业期刊上发表的论文，作者使用了吸引注意力的强有力词汇，例如 tantalizing（诱人的）和 remarkable（显著的），成功激发了读者的好奇心和兴趣。

作为OCAR结构的示例，考虑例7.3。这篇论文探讨了 tRNA 基因转录的转录机器如何干扰 DNA 复制，并可能引发染色体断裂的机制。他们研究了某些蛋白质如何调控 tRNA 基因转录。

\begin{quote}
    例 7.3

    \textit{尽管 Rrm3 和 Tof1 可能协作控制 tRNA 基因区域的复制叉速度，但尚无证据表明这种速度受到某些机制的生理调控，这些机制决定了 Rrm3 和 Tof1 活性之间的平衡。此外，除了通过调节细胞增殖速率与营养供给及总体细胞适应性匹配的机制外，tRNA 基因调控与 DNA 复制速率波动之间的联系尚不明确。然而，有证据表明 DNA 双链断裂（DSB）的出现会引发 tRNA 基因的转录抑制。具体来说，在暴露于紫外线或烷基化剂（如甲烷甲磺酸酯，MMS）的细胞中，tRNA 基因的转录被主动抑制。这些处理方式会生成次生 DNA 损伤，包括双链断裂。此外，tRNA 基因的抑制依赖于一种此前被认为参与适应染色体断裂的蛋白激酶（CK2）。基于此事实，我们推测经典的 DNA 损伤反应（DDR）检查点通路控制 tRNA 基因的转录。本研究的目标是验证这一假设。在研究中，我们发现了一种意想不到的调控系统，其中，专门针对复制压力的检查点蛋白在正常增殖期间抑制 tRNA 基因转录。这些蛋白还将抑制信号传递到暴露于引起复制干扰的基因毒素的细胞中。这些数据首次提供了证据表明，检查点系统调节 tRNA 基因的转录，并控制复制速度。}
    
\end{quote}

作者整合了现有知识，明确提出了假设。他们本可以仅仅声明目标是验证这一假设，即使这样也已经是一个不错的挑战。然而，他们进一步强调，在验证假设的过程中，他们发现了一种新的调控系统，即控制 DNA 复制速率的机制也调控了 tRNA 转录。这一策略既为接下来的研究叙述做好了准备，也通过激发好奇心强化了挑战。

这些例子都来自使用OCAR故事结构和IMRaD部分撰写的专业期刊论文；他们都使用了“学习X，我们做Y”的形式。当一篇论文使用不同的结构时，挑战往往会被浓缩，以更集中地关注这个问题。来自物理化学领域的例7.4论文采用了 LDR 结构，以一种凝练的方式聚焦问题。论文发表于 Science，没有通过副标题划分章节，而是以一个强有力的问题结束论文的开头部分，从而有效吸引了该期刊的广泛读者群。

\begin{quote}
    例 7.4

    \textit{然而，过去三十年的气相研究探索了孤立化学反应中原子间力的特性如何决定反应从过渡态转移时的最终能量分配。这些特性的知识对溶液中的反应动力学完全不重要吗？}
\end{quote}

作者明确界定了知识空白，并提出了一个引人深思的问题：“这些知识是否对溶液中反应完全无关？”这种提问既简单直接，又富有挑战性，利用了 SUCCES（意外性与情感）原则：通过问一个清晰、直接的问题吸引读者，并使用“完全无关”这种高度情绪化的表述来质疑数十年的高质量研究成果，从而激发读者兴趣并聚焦问题。

\section{不好的挑战}

如果研究挑战不清晰，读者将无所适从。如果他们不知道论文的方向，又如何知道是否达到了目的？当挑战未能具体陈述问题或假设，或者给读者造成错误印象时，就显得无效。  

最常见的不清晰挑战是作者只关注信息本身，而非试图获取的知识。他们省略了“为了了解 X…”的部分，仅仅陈述“我们做了 Y”。他们将焦点放在目标上，而非问题上。许多作者之所以掉入这个陷阱，是因为他们对材料非常熟悉，以至于觉得问题显而易见。然而，没有任何读者比作者更了解你的研究，且你的思路通常不会完全清晰地展现出来。挑战部分过于重要，不能依赖假设、运气或侥幸来传达。你必须明确地表述问题。如果你未能做到这一点，你的论文将缺乏说服力，而你的研究提案可能也会因此失去资助。  

因此，让我们评估一些薄弱的挑战，并讨论如何改进它们。第一个例子探讨了为什么免疫系统有时会崩溃。

\begin{quote}
    例 7.5

    \textit{某些 T 细胞可能呈现无能状态，即在抗原再次刺激后无法增殖。一些无能 T 细胞无法连接到 T 细胞–抗原呈递细胞 (APC) 界面。本文研究了无能小鼠 T 细胞的结构特征，并测试了它们在再次挑战抗原负载 APC 后的功能响应。}
\end{quote}

这里，作者告诉我们将要收集哪些数据，但未明确知识空白。问题是什么？可能这些研究人员试图弄清是什么导致了 T 细胞的无能状态，并从中理解免疫系统为何会失效，最终找到防止免疫系统崩溃的方法。然而，这些思路是隐含的，问题被埋得太深了。如果他们能明确挑战中的“为了了解 X”的部分，可能会更好，比如：  

\textit{为了确定是什么导致小鼠 T 细胞呈现无能状态，我们评估了 T 细胞的结构特征及其在再次挑战抗原负载 APC 时的反应。}

这一简单的补充可以澄清问题，使挑战更有力。  

例7.6来自环境科学，是关于食草动物如何构建植物群落的。

\begin{quote}
    例 7.6

    \textit{我们评估了野兔是否通过维持灌木丛间的空隙，作为关键食草动物影响灌木丛结构，从而影响在这些空隙中招募的植物的竞争性互动。}
\end{quote}

在这一示例中，问题本身不明确。野兔如何影响灌木丛结构和竞争性互动？研究者希望学到什么？  

这一挑战中包含了几个隐含的假设：(a) 野兔控制植物群落结构，(b) 它们维持灌木之间的空隙，(c) 它们影响空隙中的竞争性互动。这些假设应该被明确化，并以具体形式表达，还需要描述验证这些假设的实验。例如：  

\textit{我们假设野兔通过取食成熟植物间隙中的灌木幼苗来控制灌木丛的结构。如果这一假设成立，野兔作为关键食草动物，通过维持这些空隙使草类植物在竞争中优于灌木幼苗。我们通过跟踪野兔的活动确定它们的觅食地点，并分析其粪便以确定它们的食物组成，从而验证这一假设。}

这不仅明确了假设，还指出了其更大的意义——野兔是对生态系统结构和功能产生不成比例影响的关键物种，并简要描述了验证假设的实验方法。  

例7.7也来自环境科学，特别是草原生态学和全球变化生物学。作者提出了两个目标，这两个目标都很明确。问题在于它们的顺序。

\begin{quote}
    例 7.7

    \textit{本研究有两个目标。首先，我们通过比较基于两种技术的测量结果来限制对草地植物生产力的估算：季末最大生物量和光合作用的周期性测量。其次，我们研究了草的生长对升高的 CO₂ 和温度增加（气候变暖预期条件）的响应。}
\end{quote}


为什么这个挑战不够强？作者按时间顺序，而非按学术逻辑顺序，来呈现目标。他们先验证了方法，然后评估数据的意义（即“我们做了 X 来了解 Y”）。但读者期望最重要的目标首先出现，以界定研究的整体重点。随后的目标应进一步阐述和细化这一核心目标。以数据收集目标开头，会让读者觉得研究主要是比较植物生长测量方法，这虽然有一定用途，但并不广泛吸引人。  

第二个目标提出了有趣的问题：植物将如何响应气候变化？这是挑战中的“为了了解 Y”的部分。然而，由于它排在第二位，看起来像是对方法比较的附属内容。语言也强化了这种层次感：第一个目标使用了强有力的动词——“限制”和“比较”测量，而第二个目标则使用了较弱的表述：“研究”一种响应。为了解决这个问题，我们需要调整目标顺序，并突出核心问题：  

\textit{本研究的主要目标是评估草地生长对升高的 CO₂ 和温度增加（气候变暖预期条件）的响应。为了验证我们的植物生长测量方法，我们使用两种方法估算植物生产力：季末最大生物量和光合作用的周期性测量。}

现在，这篇论文看起来更加吸引人——真正的问题清晰明了，并与一个广泛相关的重要主题挂钩。  

一个好的挑战必须不仅界定你将收集的数据，还要明确你希望获得的知识。如果阅读一篇文章时无法找到问题或假设的清晰表述，或者问题本身不够明确，那么这个挑战就是薄弱的，从而削弱整篇论文的说服力。而对于研究提案，这种削弱可能是致命的。请记住，挑战的关键部分不是“我们做了 Y”，而是“为了了解 X”。

\section{练习}
\subsection{分析已发表的论文}
评估每篇论文的挑战。它是否清楚地提出了这个问题？你能写得更好吗？怎么写？


\subsection{写一篇短文}
在你的短文中，你清楚地提出了问题吗？如果没有，重写这篇文章。